UNIST 백종범 에너지화학공학과 교수(왼쪽부터), 노혁준 박사, 자비드 마흐무드 박사. /UNIST 제공
UNIST 백종범 에너지화학공학과 교수(왼쪽부터), 노혁준 박사, 자비드 마흐무드 박사. /UNIST 제공
UNIST(울산과학기술원)는 ‘꿈의 신소재’로 불리는 그래핀을 뛰어넘는 새로운 ‘2차원 유기 반도체 소재’를 합성하는 데 성공했다고 1일 밝혔다.

백종범 에너지화학공학과 교수 연구팀은 ‘방향족 고리화 반응’을 통해 ‘에이치피-팬(HP-FAN) 2차원 유기 고분자 구조체’를 합성했다. 이 물질은 반도체로 활용하기 적절한 밴드갭(하나의 전자가 결합 상태에서 벗어나는 데 필요한 최소량의 에너지)과 높은 점멸비(점멸비가 높을수록 반도체에 흐르는 전류량을 효과적으로 제어 가능), 전하이동도 등을 가지고 있다.

현재 사용되고 있는 실리콘 반도체(무기 반도체)는 딱딱하고 무거워 돌돌 말리는 디스플레이나 입는 전자기기에 적용하는 데 한계가 있다. 이를 대체할 반도체 물질로 그래핀이 주목받았지만 밴드갭이 너무 작아 점멸비가 낮고, 반도체 내에서 전류 흐름을 통제하기 어렵다는 문제가 있었다. 이에 반해 유기 반도체는 그래핀처럼 유연하고 가벼울 뿐만 아니라 공정비용이 적고 물성 조절이 쉽다. 하지만 소재 내부에서 전자나 정공이 느리게 움직여 반도체 소자로 적용하기는 쉽지 않았다.

연구팀은 유기 반도체의 전하이동도를 높일 새로운 구조체를 고안한 끝에 두 종류의 화학물질인 헥사아미노벤젠(HAB)과 다이하이드록시벤조퀴논(DHBQ)을 반응시켜 HP-FAN 구조체를 얻었다.

백 교수는 “2차원 고분자를 유기 반도체 재료로 사용했을 때의 고질적 문제인 ‘낮은 전하이동도’와 그래핀 반도체의 치명적 한계점인 ‘낮은 점멸비’를 모두 극복했다”며 “가볍고 잘 휘어지는 유기 반도체 성질을 반도체 소자로 적극 응용할 수 있는 발판을 마련했다”고 말했다.

울산=하인식 기자 hais@hankyung.com